酸性環境對紅層泥巖公路路基填料崩解特性的影響研究

阮 毅，柳光磊,2*，劉志芳，文 憑

(1.興義民族師范學院物理與工程技術學院，貴州 興義 562400；2.湖南科技大學資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201)

紅層泥巖在貴州興義地區分布廣泛，該紅層泥巖在施工現場裸露出來之后極容易發生風化，其遇水崩解性質較強。由于該地區常年濕潤、降雨頻繁，從而加速了該地區紅層泥巖的崩解。紅層泥巖經過人工破碎之后用于公路路基填料能產生較大的經濟與社會效益，然而其內部大顆粒的崩解會導致公路路基填料的工程性質發生變化，從而對公路路基的整體穩定性產生影響。因此，紅層泥巖崩解特性的研究一直都是巖土工程的熱點問題。

酸雨是我國主要的環境問題之一，其主要是由燃燒大量含硫高的煤炭以及汽車尾氣的大量排放所導致。酸雨對巖土體的影響已受到眾多學者的關注，如劉永勝研究發現水化學腐蝕能降低巖石強度；丁梧秀等研究認為化學溶液會導致巖石產生結構損傷；Zhang等研究發現酸雨能夠加速微生物對有機物的分解，導致巖石滑帶的抗剪強度降低而引發滑坡；黃明等研究了不同酸堿環境中軟巖崩解的能量耗散；鄧濤等研究了酸堿環境對泥質頁巖崩解的影響。此外，干濕交替作用對軟巖崩解的影響也受到眾多學者的關注。

然而，現有的研究中對于酸雨侵蝕條件下紅層泥巖公路路基填料崩解性質的影響研究較為不足。考慮到紅層泥巖分布地區發生的自然災害及其對工程建筑的影響，本文采用室內干濕循環崩解的試驗方法，對貴州興義地區的紅層泥巖試樣在不同pH值溶液中的崩解特性展開了試驗研究，并對紅層泥巖試樣崩解之后崩解物各粒組累計百分含量以及各組紅層泥巖試樣崩解后崩解物基于質量與粒徑關聯的分形維數的變化情況進行深入分析，研究了酸性條件下紅層泥巖公路路基填料崩解試驗的干濕循環效應與分形特征。

1 紅層泥巖干濕循環崩解試驗

1.1 工程概況

擬建公路位于貴州省興義市，擬建場地屬于構造、剝蝕低中山丘陵地貌，原始地形復雜，起伏變化較大，經過一定程度的挖填方整平施工，現狀地形稍有起伏。

根據現場踏勘以及搜集周邊資料，推測擬建場地地層結構屬多層型，地表為人類近期活動形成的耕植土，上部為比較厚的第四系人工素填土層(Q)和殘坡積(Q)粉質黏土(全風化紅層泥巖)層和塊石層，其下分布的是三疊系上統大箐組上段(T

dq

)強至中風化粉砂巖。在該公路路基填筑過程中，現場有大量的紅層泥巖分布，因此路基的填筑大多采用該土層。擬建公路路基填筑現場如圖1所示。

圖1 擬建公路路基填筑現場Fig.1 Subgrade filling site of the proposed highway

1.2 研究問題的提出

隨著公路施工進度的推進，紅層泥巖越來越多地裸露在空氣中，如圖2所示。裸露在空氣中的紅層泥巖在季節性降雨條件下極容易發生解體，其在路基填筑之后將對路基的整體穩定性產生一定的影響。此外，由該地區的水質分析結果可知，該地區酸雨較為頻繁，裸露在空氣中的紅層泥巖常常受到酸雨的侵蝕。因此，本文開展了酸性條件下紅層泥巖公路路基填料崩解試驗的干濕循環效應與分形特征研究。

圖2 裸露在空氣中的紅層泥巖Fig.2 Red mudstone exposed in air

1.3 紅層泥巖基本物理力學性質

本試驗采用的紅層泥巖取自上述工程現場，取樣后運送至實驗室立即加工成所需試樣開展室內試驗研究。先將紅層泥巖加工成所需試樣，在實驗室內進行剪切試驗研究，得到紅層泥巖試樣的天然重度為20.5 kN/m，黏聚力為45.5 kPa，內摩擦角為13.2°；然后對多組紅層泥巖粉末進行X-射線衍射(XRD)試驗，得到紅層泥巖試樣的礦物成分(見圖3)以及紅層泥巖試樣各組成礦物的百分含量(見表1)。

圖3 紅層泥巖試樣的X-射線衍射(XRD)試驗結果Fig.3 X-ray diffraction analysis of the red mudstone samples

表1 紅層泥巖試樣中各組成礦物的百分含量Table 1 Percentage content of constituent mineral of the red mudstone samples

由表1可知，該地區紅層泥巖中主要礦物為石英和方解石，其含量分別為37.61%和29.37%，同時也含有蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土礦物。

1.4 試驗方案

軟巖崩解與試驗樣品的關聯性很大，為了保證各試驗樣品的結構和裂隙等基本保持一致，本試驗所采用的紅層泥巖樣品均取自同一施工現場的同一位置，不同試驗樣品的加工方法均相同。本次紅層泥巖試樣的室內干濕循環崩解試驗方案參考《水利水電工程巖石試驗規程》(DL/T 5368—2007)進行設計，試驗方法包括：飽水操作、干燥操作、干濕循環次數的選取和崩解后樣品尺寸統計等過程，詳細的操作步驟如下：

(1) 飽水操作：參考黃明等、鄧濤等在酸堿環境中對軟巖崩解的研究，采用pH值分別為3、5、7的溶液對紅層泥巖試樣進行飽水，對應的紅層泥巖試樣編號分別為DP01、DP02、DP03。考慮文章篇幅，圖4(a)僅給出了pH值為3時溶液中紅層泥巖試樣的飽水過程。

(2) 干燥操作：飽水操作完成后將紅層泥巖試樣在105～110℃的環境中干燥，直至試樣質量恒定不變。

(3) 干濕循環次數的選取：干濕循環次數的選取考慮了紅層泥巖試樣崩解的進程，選取試樣崩解基本穩定后的干濕循環次數，本試驗取10次干濕循環試驗。

(4) 崩解后樣品尺寸統計：每次干濕循環之后，采用標準篩對紅層泥巖試樣崩解后崩解物樣品的各粒組百分含量進行稱量。考慮文章篇幅，圖4(b)僅給出了pH值為3時溶液中紅層泥巖試樣崩解后的崩解物。

圖4 紅層泥巖試樣室內干濕循環崩解試驗Fig.4 Laboratory dry and wet cycle disintegration test of the red mudstone samples

2 紅層泥巖崩解試驗結果與分析

2.1 紅層泥巖崩解物各粒組累計百分含量分析

根據以上不同酸性溶液中紅層泥巖室內干濕循環崩解試驗結果，可以得到紅層泥巖試樣崩解后崩解物的級配分布情況，圖5為3組紅層泥巖試樣干濕循環10次過程中每次干濕循環之后崩解物的級配分布曲線。

圖5 紅層泥巖崩解物各粒組累計百分含量與粒徑的關系曲線Fig.5 Relationship curves between accumulated percentage content and particle size of fractions of red mudstone disintegration in solution of different pH values

由圖5可以看出:

(1) DP01、DP02試樣崩解物級配分布曲線的形狀具有一定的相似性，該曲線的形狀為S形[見圖5(a)、(b)]，說明紅層泥巖崩解物的級配分布比較均勻，在各粒組均有一定含量的顆粒分布，表明紅層泥巖試樣的崩解比較充分。

(2) DP03試樣崩解物級配分布曲線的形狀則稍有不同，該曲線的形狀表現出了雙曲線特征[見圖5(c)]，說明紅層泥巖崩解物主要為大粒徑的顆粒，小粒徑顆粒的含量很少，以至于粒徑較小時對應的級配分布曲線非常平緩，表明紅層泥巖試樣的崩解不充分。

上述試驗結果表明，pH值越小,溶液中紅層泥巖崩解物的級配分布越均勻，崩解越充分,反之則崩解物以大顆粒為主，崩解不充分；3組紅層泥巖試樣各粒組累計百分含量與粒徑的關系曲線整體上均表現出相似的變化規律，可歸納如下：隨著干濕循環次數的增加，紅層泥巖崩解物的級配分布曲線的形狀基本保持不變，但該曲線整體逐漸向上移動，干濕循環次數越多其增量越小，反映出其崩解速率緩慢降低，最終將會趨于某一定值，從而達到穩定。

2.2 紅層泥巖崩解物的分形維數研究

2.2.1 軟巖崩解物分形維數的計算方法

軟巖崩解物的級配分布滿足分形理論，其結構演化的幾何特征或物理力學演化的數學特征都具有自相似特征。分形維數

D

的定義如下：

(1)

式中：

x

為尺度；

N

(

x

)為該尺度下獲得的測量值；

D

為研究對象的分形維數。

分形維數可以通過數量分形理論進行求解，但要準確測量紅層泥巖崩解后的碎塊數量是相當困難的，因此本文采用篩孔直徑來確定紅層泥巖崩解后的顆粒粒徑大小，并稱量顆粒質量來計算分形維數。

令

M

為紅層泥巖崩解后崩解物試樣的總質量，

ε

為標準篩的孔徑，

M

(

ε

)為粒徑小于

ε

的崩解物試樣質量。紅層泥巖崩解后崩解物可以通過實驗室篩分得到

M

(

ε

)，崩解物滿足如下分布函數：

(2)

其中，

σ

為與平均尺度相關的量，當

ε/σ

≤1時，上式可表示為

(3)

則有：

d

M

∝

ε

-1d

ε

(4)

結合公式(1)，可得：

d

N

(

x

)∝

ε

--1d

ε

(5)

故分形維數

D

為

D

=3-

b

(6)

2.2.2 紅層泥巖崩解物的分形維數計算及分析

根據上述不同pH值溶液中紅層泥巖崩解的試驗結果，采用紅層泥巖崩解物的分形理論，計算得到各組紅層泥巖試樣崩解物的分形維數，并給出了采用分形理論對試驗數據進行回歸擬合分析的擬合優度

R

，見表2。

表2 不同pH值溶液中紅層泥巖試樣崩解物的分形維數(D)和擬合度(R2)Table 2 Fractal dimension (D) and goodness of fit (R2) of disintegration of red mudstone samples in solution of different pH values

由表2可知，采用分形理論能夠很好地分析紅層泥巖的崩解情況，各組紅層泥巖試樣的擬合優度均在0.951 2以上。

圖6給出了不同pH值溶液中紅層泥巖試樣崩解物的分形維數與干濕循環次數的關系曲線。

圖6 不同pH值溶液中紅層泥巖試樣崩解物的分形維數與干濕循環次數的關系曲線Fig.6 Relationship of fractal dimension of red mudstone samples disntegration and dry-wet cycle numbers in solution of different pH values

由圖6可見，不同pH值溶液中紅層泥巖試樣崩解物的分形維數在干濕循環次數較少時增長迅速，在第2次干濕循環后試樣崩解物的分形維數增長速率開始減小，并在第6次干濕循環之后緩慢達到穩定，其分形維數基本不變，這與上述對紅層泥巖試樣崩解物級配分布的分析結果是一致的；隨著溶液pH值的減小，紅層泥巖試樣崩解物的分形維數逐漸增大，且當溶液pH值從7減小到5時試樣崩解物的分形維數的增量大于溶液pH值從5減小到3時試樣崩解物分形維數的增量，說明分形維數越大則紅層泥巖試樣崩解物中細顆粒含量越多，崩解速率越快。

上述研究表明，酸雨能夠加速紅層泥巖公路路基填料的崩解，故在酸雨較嚴重的地區，可選擇在雨季到來時將路基填料充分淋雨，待其加速崩解完成后且崩解性能基本趨于穩定時再將其進行路基填筑，這將可以在一定程度上減輕已填筑路基中大顆粒的崩解現象，從而提高路基的穩定性。

3 結 論

在室內干濕循環試驗條件下對貴州興義地區的紅層泥巖試樣在不同pH值溶液中的崩解特性展開了試驗研究，并對紅層泥巖試樣崩解后崩解物各粒組累計百分含量以及各組紅層泥巖試樣崩解后崩解物基于質量與粒徑關聯的分形維數的變化情況進行了研究，得到如下結論：

(1) pH值越小，溶液中紅層泥巖崩解物的級配分布越均勻，崩解越充分；反之則崩解物以大顆粒為主，崩解不充分。

(2) 在干濕循環次數較少時，不同pH值溶液中紅層泥巖試樣的崩解速率較快，在第2次干濕循環后其崩解速率開始減小，并在第6次干濕循環之后基本達到穩定。

(3) 隨著溶液pH值的減小，紅層泥巖試樣崩解物的分形維數逐漸增大，說明紅層泥巖試樣崩解物中細顆粒含量逐漸增多，崩解速率逐漸增大，也就是說，酸性環境能夠加速紅層泥巖試樣的崩解。